CN101172810B - 一种导电sma混合料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导电的路面铺装材料的制备方法。一种导电SMA混合料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：1)SMA混合料原始设计：各组分质量比为粗集料M_ac∶细集料M_af∶石灰石矿粉M_b∶沥青M_A∶纤维稳定剂M_f＝100∶15～25∶10～20∶7～12∶0.2～0.5；2)导电相材料掺量计算：导电相材料以等体积部分取代SMA混合料原始设计中石灰石矿粉掺入，导电相材料掺量为沥青体积的20～50％；3)导电SMA混合料的确定：粗集料∶细集料∶石灰石矿粉∶导电相材料∶沥青∶纤维稳定剂＝M_ac∶M_af∶M_r∶M_c∶M_A∶M_f；4)导电SMA混合料的制备：首先将粗集料、细集料、纤维稳定剂混合搅拌，加入沥青搅拌，再加入导电相材料搅拌，最后加入石灰石矿粉搅拌；得导电SMA混合料。本发明具有高温稳定性好、导电性强、制备工艺简单的特点。

Description

一种导电SMA混合料的制备方法

技术领域

本发明属于材料科学与工程领域，具体涉及一种导电的路面铺装材料的制备方法。

背景技术

在冬季，路面积雪或结冰对道路交通安全造成巨大威胁。经常由于路面积雪结冰，使汽车的刹车失灵，引发事故并导致交通中断，路面积雪结冰给国民经济和人民生活带来重大影响。如在我国北方，就经常因为大雪造成高速公路全线封闭或飞机场关闭，给国民经济带来重大损失。可见冬季大量的道路积雪已成为交通安全的重大隐患。

导电SMA混合料是在沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA混合料)中掺入导电相材料，使其具有优良的电学性能。在接通电源后，导电SMA路面可以自身导电发热达到路面融雪除冰的效果，解决冬季寒冷地区路面结冰导致交通事故甚至交通中断等问题，与机械清雪、撒盐融冰等其它融雪除冰方法相比，导电沥青混凝土具有操作方法简便、融雪效率高、与环境友好等特点。对保证车辆行驶、飞机起降的安全性起到重要作用。

导电SMA路面还可用于路面的自诊断，通过监测路面电阻的变化获取有关路面内部结构变化信息，检测路面内部损伤、微裂纹等病害，实现路面的自诊断和早期修复，降低路面维护成本，延长道路使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稳定性好、导电性强、制备工艺简单的导电SMA混合料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种导电SMA混合料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1).SMA混合料原始设计：SMA混合料由粗集料、细集料、石灰石矿粉、沥青及纤维稳定剂组成，各组分质量比为粗集料M_ac∶细集料M_af∶石灰石矿粉M_b∶沥青M_A∶纤维稳定剂M_f＝100∶15～25∶10～20∶7～12∶0.2～0.5；

所述的粗集料为玄武岩或辉绿岩，最大公称粒径为16mm(9.5～16mm)；

所述的细集料为玄武岩或辉绿岩机制砂，最大公称粒径为4.75mm；

所述的沥青选用SBS改性沥青或高粘度改性沥青；

所述的纤维稳定剂选用聚丙烯腈纤维、聚酯纤维或木质素纤维；

2).导电相材料掺量计算：导电相材料以等体积部分取代SMA混合料原始设计中石灰石矿粉掺入，导电相材料掺量为沥青体积的20～50％；

所述的导电相材料选用粉末状石墨或炭黑；

由于采用导电相材料等体积比取代SMA混合料原始设计中石灰石矿粉，所以对于导电相材料的质量掺量及被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比必须进行相应的计算，具体计算步骤如下：

首先按式1计算掺入导电相材料的质量比：

式 $M_c=\frac{M_A{\mathrm{\ρ}}_c\·\mathrm{vol}\%}{{\mathrm{\ρ}}_a}$ 式1

式1中：M_c-导电相材料质量比，M_A-沥青的质量比；

ρ_c-导电相材料的密度，g/cm³；ρ_a-沥青的密度，g/cm³；

vol％-导电相材料掺量为沥青体积的百分数(即20～50％)；

确定导电相材料质量掺量后，按式2计算被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比：

$M_r=M_b-\frac{M_c{\mathrm{\ρ}}_b}{{\mathrm{\ρ}}_c}$ 式2

式2中：M_r-被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比(剩余石灰石矿粉的质量比)；

M_b-SMA混合料原始设计中石灰石矿粉掺量质量比；

M_c-导电相材料质量比；

ρ_h-石灰石矿粉的密度，g/cm³；ρ_c-导电相材料的密度，g/cm³；

3).导电SMA混合料的确定：根据添加导电相材料的掺量质量比及被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比替换SMA混合料原始设计中的石灰石矿粉的位置，可计算出导电SMA混合料的最终配合比为：粗集料∶细集料∶石灰石矿粉∶导电相材料∶沥青∶纤维稳定剂＝M_ac∶M_af∶M_r∶M_c∶M_A∶M_f；[M_ac＝100，M_af＝15～25，M_A＝7～12，M_f＝0.2～0.5，]；

4).导电SMA混合料的制备：

首先将粗集料、细集料、纤维稳定剂混合搅拌30～90s(秒)，加入沥青搅拌60～100s，再加入导电相材料搅拌60～100s，最后加入石灰石矿粉搅拌60～100s；其中石灰石矿粉在搅拌前须加热到170～190℃，沥青加热到150～170℃，混合料出料温度不低于160℃；得导电SMA混合料。

所述的石墨选用高碳鳞片石墨、微晶石墨或结晶石墨。

所述的炭黑选用乙炔炭黑或导电炭黑。

本发明以等体积部分取代SMA混合料原始设计中石灰石矿粉掺入导电相材料，即添加导电相材料制备具有导电功能的导电SMA混合料(沥青路面材料)，导电SMA混合料中，粗集料相互嵌挤形成骨架结构，在粗集料堆积形成的孔隙中填充由沥青、石灰石矿粉及纤维稳定剂形成的沥青马蹄脂，这种矿料结构不但能够保证粗集料的相互嵌挤，提高路面的抗车辙、抗剪性能，而且沥青马蹄脂填充在孔隙中形成骨架密实结构保证沥青混合料具有足够的水稳定性和强度，是一种优良的矿料级配形式。但是当导电相材料(石墨)部分替代矿粉制备导电SMA混合料时，由于导电相材料密度多远低于石灰石矿粉，导致沥青马蹄脂的体积参数变化，造成混合料内部的体积不稳定，过多的马蹄脂填充于粗集料形成的骨架结构而导致粗集料无法紧密嵌挤，而另一方面夏季高温或导电加热环境下，沥青马蹄脂在骨料之间变软而引起润滑效应并最终导致高温稳定性不良，抗车辙能力下降。本发明采用体积取代方法，等体积替代部分矿粉填料，不但工艺简单而且防止材料内部的体积参数变化，保证粗集料间具有足够的矿料间隙率，维持了SMA混合料优良的高温性能。采用本发明设计方法制备的导电SMA混合料电阻率在1000Ω·m以下，马歇尔稳定度大于7kN，60℃动稳定度大于8000次/mm，高温抗车辙性能好，冻融劈裂强度比在85％以上，水稳定性优良。

本发明对比已公开的导电沥青混凝土专利(公开号CN1403401，发明名称：导电沥青混凝土及其制备方法)，本发明在材料的导电相材料的掺杂方式和制备工艺上进行了改进。在CN1403401中导电相材料以质量掺量的方式直接加入，这就引起混合料体积参数的发生改变，导致混合料的各项路用性能也相应变化。本发明中导电相材料以体积掺量取代矿粉进行导电SMA的设计，避免了导电材料添加后造成的矿料间隙率变化、集料嵌挤不良而引起的高温稳定性下降。在CN1403401中导电相材料先与沥青进行混合，再与矿料拌和，增加了导电沥青混凝土制备工艺复杂性，在本发明中导电相材料无须与沥青预先混合，直接加入，在保证导电相材料均匀分布的同时，降低制备难度。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

一种导电SMA混合料的制备方法，它包括如下步骤：

1).SMA混合料原始设计：SMA混合料由粗集料、细集料、石灰石矿粉、沥青及纤维稳定剂组成，各组分质量比为粗集料M_ac∶细集料M_af∶石灰石矿粉M_b∶沥青M_A∶纤维稳定剂M_f＝100∶15∶10∶7∶0.2；

所述的粗集料为玄武岩，最大公称粒径13.2mm；所述的细集料为玄武岩机制砂，最大公称粒径4.75mm；所述的沥青选用SBS改性沥青；所述的纤维稳定剂选用聚丙烯腈纤维；

2).导电相材料掺量计算：导电相材料以等体积部分取代SMA混合料原始设计中石灰石矿粉掺入，导电相材料掺量为沥青体积的20％；

所述的导电相材料选用粉末状石墨(所述石墨选用高碳鳞片石墨、微晶石墨或结晶石墨)；

由于采用导电相材料等体积比取代SMA混合料原始设计中石灰石矿粉，所以对于导电相材料的质量掺量及被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比必须进行相应的计算，具体计算步骤如下：

首先按式1计算掺入导电相材料的质量比：

式 $M_c=\frac{M_A{\mathrm{\ρ}}_c\·\mathrm{vol}\%}{{\mathrm{\ρ}}_a}$ 式1

式1中：M_c-导电相材料质量比，M_A＝7；

导电相材料的密度ρ_c为2.190g/cm³；沥青的密度ρ_a为1.027g/cm³；

vol％为20％；

M_c＝(7×2.190×20％)/1.027＝2.985；

确定导电相材料质量掺量后，按式2计算被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比：

$M_r=M_b-\frac{M_c{\mathrm{\ρ}}_b}{{\mathrm{\ρ}}_c}$ 式2

式2中：M_r-被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比(剩余石灰石矿粉的质量比)；

M_b为10；

M_c为2.985；

石灰石矿粉的密度ρ_b为2.646g/cm³，g/cm³；导电相材料的密度ρ_c为2.190g/cm³.

M_r＝10-(2.985×2.646/2.190)＝10-3.607＝6.393；

3).导电SMA混合料的确定：根据添加导电相材料的掺量质量比及被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比替换SMA混合料原始设计中的石灰石矿粉的位置，可计算出导电SMA混合料的最终配合比为：粗集料∶细集料∶石灰石矿粉∶导电相材料∶沥青∶纤维稳定剂＝M_ac∶M_af∶M_r∶M_c∶M_A∶M_f＝100∶15∶6.393∶2.985∶7∶0.2；

4).导电SMA混合料的制备：

首先将粗集料、细集料、纤维稳定剂混合搅拌30s(秒)，加入沥青搅拌60s，再加入导电相材料搅拌60s，最后加入石灰石矿粉搅拌60s；其中石灰石矿粉在搅拌前须加热到190℃，沥青加热到150℃，混合料出料温度不低于160℃；得导电SMA混合料。

实施例2：

一种导电SMA混合料的制备方法，它包括如下步骤：

1).SMA混合料原始设计：SMA混合料由粗集料、细集料、石灰石矿粉、沥青及纤维稳定剂组成，各组分质量比为粗集料M_ac∶细集料M_af∶石灰石矿粉M_b∶沥青M_A∶纤维稳定剂M_f＝100∶17∶12∶7.2∶0.3；

所述的粗集料为辉绿岩，最大公称粒径16mm；

所述的细集料为辉绿岩机制砂，最大公称粒径4.75mm；

所述的沥青选用高粘度改性沥青；

所述的纤维稳定剂选用聚酯纤维；

2).导电相材料掺量计算：导电相材料以等体积部分取代SMA混合料原始设计中石灰石矿粉掺入，导电相材料掺量为沥青体积的30％；

所述的导电相材料选用粉末状石墨(粉末状高碳鳞片石墨)；

由于采用导电相材料等体积比取代SMA混合料原始设计中石灰石矿粉，所以对于导电相材料的质量掺量及被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比必须进行相应的计算，具体计算步骤如下：

首先按式1计算掺入导电相材料的质量比：

$M_c=\frac{M_A{\mathrm{\ρ}}_c\·\mathrm{vol}\%}{{\mathrm{\ρ}}_a}=\frac{7.2\×2.190\×30\%}{1.027}=4.6$ 式1

式1中：M_c-导电相材料质量比，N_A为7.2；

ρ_c为2.190g/cm³；ρ_a为1.027g/cm³；

vol％为30％；

确定导电相材料质量掺量后，按式2计算被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比：

$M_r=M_b-\frac{M_c{\mathrm{\ρ}}_b}{{\mathrm{\ρ}}_c}=12-\frac{4.6\×2.646}{2.190}=6.4$ 式2

式2中：M_r-被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比；

M_b为12；

M_c为4.6；

石灰石矿粉的密度ρ_b为2.646g/cm³；ρ_c为2.190g/cm³；

3).导电SMA混合料的确定：根据添加导电相材料的掺量质量比及被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比替换SMA混合料原始设计中的石灰石矿粉的位置，可计算出导电SMA混合料的最终配合比为：粗集料∶细集料∶石灰石矿粉∶导电相材料∶沥青∶纤维稳定剂＝M_ac∶M_af∶M_r∶M_c∶M_A∶M_f＝100∶17∶6.4∶4.6∶7.2∶0.3；

4).导电SMA混合料的制备：

首先将粗集料、细集料、纤维稳定剂混合搅拌40s(秒)，加入沥青搅拌70s，再加入导电相材料搅拌90s，最后加入石灰石矿粉搅拌60s；其中石灰石矿粉在搅拌前须加热到180℃，沥青加热到170℃，混合料出料温度不低于160℃；得导电SMA混合料。

制备的导电SMA混合料电阻率320Ω·m，马歇尔稳定度9.23kN，60℃动稳定度大于9000次/mm，冻融劈裂强度比在92％以上。

实施例3：

一种导电SMA混合料的制备方法，它包括如下步骤：

1).SMA混合料原始设计：SMA混合料由粗集料、细集料、石灰石矿粉、沥青及纤维稳定剂组成，各组分质量比为粗集料M_ac∶细集料M_af∶石灰石矿粉M_b∶沥青M_A∶纤维稳定剂M_f＝100∶25∶20∶12∶0.5；

所述的粗集料为玄武岩，最大公称粒径9.5mm；

所述的细集料为玄武岩机制砂，最大公称粒径4.75mm；

所述的沥青选用SBS改性沥青；

所述的纤维稳定剂选用聚丙烯腈纤维；

2).导电相材料掺量计算：导电相材料以等体积部分取代SMA混合料原始设计中石灰石矿粉掺入，导电相材料掺量为沥青体积的32％；

所述的导电相材料选用粉末状石墨(微晶石墨)；

由于采用导电相材料等体积比取代SMA混合料原始设计中石灰石矿粉，所以对于导电相材料的质量掺量及被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比必须进行相应的计算，具体计算步骤如下：

首先按式1计算掺入导电相材料的质量比：

式 $M_c=\frac{M_A{\mathrm{\ρ}}_c\·\mathrm{vol}\%}{{\mathrm{\ρ}}_a}$ 式1

式1中：M_c-导电相材料质量比，M_A为12；

导电相材料的密度ρ_c为2.190g/cm³；沥青的密度ρ_a为1.027g/cm³；

vol％为39％；

M_c＝(12×2.190×32％)/1.027＝8.189；

确定导电相材料质量掺量后，按式2计算被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比：

$M_r=M_b-\frac{M_c{\mathrm{\ρ}}_b}{{\mathrm{\ρ}}_c}$ 式2

式2中：M_r-被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比(剩余石灰石矿粉的质量比)；

M_b为20；

M_c为8.189；

石灰石矿粉的密度ρ_b为2.646g/cm³，g/cm³；导电相材料的密度ρ_c为2.190g/cm³；

M_r＝20-(8.189×2.646/2.190)＝20-9.894＝10.106；

3).导电SMA混合料的确定：根据添加导电相材料的掺量质量比及被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比替换SMA混合料原始设计中的石灰石矿粉的位置，可计算出导电SMA混合料的最终配合比为：粗集料∶细集料∶石灰石矿粉∶导电相材料∶沥青∶纤维稳定剂＝M_ac∶M_af∶M_r∶M_c∶M_A∶M_f；＝100∶25∶10.106∶8.189∶12∶0.5；

4).导电SMA混合料的制备：

首先将粗集料、细集料、纤维稳定剂混合搅拌90s(秒)，加入沥青搅拌100s，再加导电相材料搅拌100s，最后加入石灰石矿粉搅拌100s；其中石灰石矿粉在搅拌前须加热170℃，沥青加热到170℃，混合料出料温度不低于160℃；得导电SMA混合料。

实施例4：

一种导电SMA混合料的制备方法，它包括如下步骤：

1).SMA混合料原始设计：SMA混合料由粗集料、细集料、石灰石矿粉、沥青及纤维定剂组成，各组分质量比为粗集料M_ac∶细集料M_af∶石灰石矿粉M_b∶沥青M_A∶纤维稳定剂＝100∶25∶20∶12∶0.5；

所述的粗集料为辉绿岩，最大公称粒径13.2mm；

所述的细集料为辉绿岩机制砂，最大公称粒径4.75mm；

所述的沥青选用高粘度改性沥青；

所述的纤维稳定剂选用木质素纤维；

2).导电相材料掺量计算：导电相材料以等体积部分取代SMA混合料原始设计中石灰矿粉掺入，导电相材料掺量为沥青体积的50％；

所述的导电相材料选用粉末状炭黑(所述的炭黑选用乙炔炭黑或导电炭黑)；

由于采用导电相材料等体积比取代SMA混合料原始设计中石灰石矿粉，所以对于导电材料的质量掺量及被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比必须进行相应的计算，具体计算步骤如下：

首先按式1计算掺入导电相材料的质量比：

式 $M_c=\frac{M_A{\mathrm{\ρ}}_c\·\mathrm{vol}\%}{{\mathrm{\ρ}}_a}$ 式1

式1中：M_c-导电相材料质量比，M_A为12；

导电相材料的密度ρ_c为2.190g/cm³；沥青的密度ρ_a为1.027g/cm³；

vol％为50％；

M_c＝(12×2.190×50％)/1.027＝12.795；

确定导电相材料质量掺量后，按式2计算被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比：

$M_r=M_b-\frac{M_c{\mathrm{\ρ}}_b}{{\mathrm{\ρ}}_c}$ 式2

式2中：M_r-被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比(剩余石灰石矿粉的质量比)；

M_b为20；

M_c为12.795；

石灰石矿粉的密度ρ_b为2.646g/cm³，g/cm³；导电相材料的密度ρ_c为2.190g/cm³；

M_r＝20-(12.795×2.646/2.190)＝20-15.459＝4.541；

3).导电SMA混合料的确定：根据添加导电相材料的掺量质量比及被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比替换SMA混合料原始设计中的石灰石矿粉的位置，可计算出导电SMA混合料的最终配合比为：粗集料∶细集料∶石灰石矿粉∶导电相材料∶沥青∶纤维稳定剂＝M_ac∶M_af∶M_r∶M_c∶M_A∶M_f＝100∶25∶4.541∶12.795∶12∶0.5；

4).导电SMA混合料的制备：

首先将粗集料、细集料、纤维稳定剂混合搅拌90s(秒)，加入沥青搅拌100s，再加入导电相材料搅拌100s，最后加入石灰石矿粉搅拌100s；其中石灰石矿粉在搅拌前须加热到170℃，沥青加热到170℃，混合料出料温度不低于160℃；得导电SMA混合料。

Claims (3)

1.一种导电SMA混合料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1).SMA混合料原始设计：SMA混合料由粗集料、细集料、石灰石矿粉、沥青及纤维稳定剂组成，各组分质量比为粗集料M_ac∶细集料M_af∶石灰石矿粉M_b∶沥青M_A∶纤维稳定剂M_f＝100∶15～25∶10～20∶7～12∶0.2～0.5；

所述的粗集料为玄武岩或辉绿岩，最大公称粒径16mm；

所述的细集料为玄武岩或辉绿岩机制砂，最大公称粒径4.75mm；

所述的沥青选用SBS改性沥青或高粘度改性沥青；

所述的纤维稳定剂选用聚丙烯腈纤维、聚酯纤维或木质素纤维；

2).导电相材料掺量计算：导电相材料以等体积部分取代SMA混合料原始设计中石灰石矿粉掺入，导电相材料掺量为沥青体积的20～50％；

所述的导电相材料选用粉末状石墨或炭黑；

首先按式1计算掺入导电相材料的质量比：

式 $M_c=\frac{M_A{\mathrm{\ρ}}_c\·\mathrm{vol}\%}{{\mathrm{\ρ}}_a}$ 式1

式1中：M_c-导电相材料质量比，M_A-沥青的质量比；

ρ_c-导电相材料的密度，g/cm³；ρ_a-沥青的密度，g/cm³；

vol％-导电相材料掺量为沥青体积的百分数；

确定导电相材料质量掺量后，按式2计算被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比：

$M_r=M_b-\frac{M_c{\mathrm{\ρ}}_b}{{\mathrm{\ρ}}_c}$ 式2

式2中：M_r-被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比；

M_b-SMA混合料原始设计中石灰石矿粉掺量质量比；

M_c-导电相材料质量比；

ρ_b-石灰石矿粉的密度，g/cm³；ρ_c-导电相材料的密度，g/cm³；

3).导电SMA混合料的确定：根据添加导电相材料的掺量质量比及被导电相材料替代后应加入的石灰石矿粉的质量比替换SMA混合料原始设计中的石灰石矿粉的位置，可计算出导电SMA混合料的最终配合比为：粗集料∶细集料∶石灰石矿粉∶导电相材料∶沥青∶纤维稳定剂＝M_ac∶M_af∶M_r∶M_c∶M_A∶M_f；

4).导电SMA混合料的制备：

首先将粗集料、细集料、纤维稳定剂混合搅拌30～90s，加入沥青搅拌60～100s，再加入导电相材料搅拌60～100s，最后加入石灰石矿粉搅拌60～100s；其中石灰石矿粉在搅拌前须加热到170～190℃，沥青加热到150～170℃，混合料出料温度不低于160℃；得导电SMA混合料。

2.根据权利要求1所述的一种导电SMA混合料的制备方法，其特征在于：所述的石墨选用高碳鳞片石墨、微晶石墨或结晶石墨。

3.根据权利要求1所述的一种导电SMA混合料的制备方法，其特征在于：所述的炭黑选用乙炔炭黑或导电炭黑。